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清华团队:基于“稳态微聚束”原理的新一代加速器光源亮相

太赫兹 粒子加速器 同步辐射光源 SSMB
发布:2021-02-25 10:36:42     来源:中国科学报

继第四代同步辐射光源之后,科学家正在挑战新纪录。2月25日《自然》杂志上线的一篇论文中,研究者实验展示了一种新型粒子加速器光源原理,该原理被称为“稳态微聚束”(steady-state microbunching,SSMB)。

基于SSMB原理,能产生高功率、高重频的相干光,波长可涵盖从太赫兹到极紫外波段。SSMB光源有望为光子科学研究提供新机遇。“这篇文章是我们团队几年努力的结晶,也是加速器领域的一个重大突破。”论文通讯作者之一、清华大学工程物理系教授唐传祥告诉《中国科学报》。

相对论性带电粒子偏转时会辐射出光,最先在电子同步加速器上发现,所以该辐射被称为同步辐射。人们从上世纪40年代开始制造并利用同步辐射光源,服务于物理、化学、生命科学、医学等领域的用户。数十年间,同步辐射光源不断升级,中国的“上海光源”即第三代同步辐射光源,与“上海光源”同处一个园区的X 射线自由电子激光试验装置则为第四代。

SSMB光源则兼具第三代和第四代光源的特点:既能保持高重复频率,又有类似激光强相干辐射的特性。论文第一作者、清华大学工程物理系博士生邓秀杰介绍说:微聚束可以辐射出强相干光,为了实现高重频、达到高平均功率,微聚束在储存环内还要能稳态保持,此即“稳态微聚束”的由来。

 
 

SSMB原理验证实验示意图,储存环周长为48米。(图片来源:《自然》)

研究者在该论文中首次验证了SSMB的工作机理。研究组利用波长1064纳米的激光操控储存环中的电子束,使电子束绕环一整圈后形成微聚束,并辐射出高强度的相干光。

审稿人意见称,该研究“展示了一种新的方法论”,“必将引起粒子加速器和同步辐射领域的兴趣”。

SSMB的概念最初由清华大学杰出访问教授赵午及其博士生提出。本次论文展示的实验,由唐传祥与赵午发起,清华大学、亥姆霍兹柏林材料和能源中心以及德国联邦物理技术研究院(PTB)合作,在PTB的计量光源上完成。唐传祥研究组负责理论分析、物理设计及激光系统开发,并与合作单位进行实验。

目前,清华SSMB研究组已向国家发改委提交“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书,申报“十四五”国家重大科技基础设施。

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